本發(fā)明屬于激光三維掃描技術領域，特別涉及基于沙姆定律鉸鏈原則的連續(xù)激光三維掃描技術。

背景技術：

隨著時代的發(fā)展，我們常常要對大面積建筑區(qū)域或山區(qū)內(nèi)大范圍的三維物體進行分析，以便獲取有用的信息。目前，大多數(shù)圖像采集裝置所獲取的圖像本身是在二維平面上的，為了更精確的獲得我們所需要的信息，我們需要得到其三維成像圖，所以各種掃描成像技術應用而生。目前掃描成像技術主要有點云成像，雙攝像頭成像技術和傳統(tǒng)的基于沙氏定律的激光掃描技術。在這三種技術中，點云成像和傳統(tǒng)的基于沙氏定律的掃描技術是利用激光雷達技術掃描成像。使用激光雷達技術，我們可以對一些難以到達的地方進行探測，并且獲得誤差小，高精度，清晰的成像。而在雙攝像頭成像技術中有一種主要是利用兩個攝像頭模擬人眼進行成像。我們知道，目前的點云技術基本是使用圖像處理的方法進行掃描，這種方法要求復雜的數(shù)字電路和快速的數(shù)據(jù)采集速率。而傳統(tǒng)的基于沙氏定律的掃描技術利用軌道式掃描的方法，只能實現(xiàn)平面的成像，無法獲取圖像的三維信息。雙攝像頭技術則需要復雜的圖像拼接技術的輔助，拼接圖像的邊緣重疊性問題是該技術的一大難題，另外，它還易受到光照和周圍環(huán)境的影響。這里介紹了一種利用壓電陶瓷和電機控制的激光雷達成像技術，這種技術可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的點云掃描的清晰成像，可以實現(xiàn)三維圖像的成像，卻不需要復雜的電路處理后期數(shù)據(jù)。

技術實現(xiàn)要素：

1、本發(fā)明的目的。

本發(fā)明主要提出了一種能夠靈活對遠處物體進行大范圍的掃描并進行重構的激光雷達系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)激光雷達掃描系統(tǒng)數(shù)字電路處理復雜，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速度要求高的缺陷，完善了傳統(tǒng)基于沙式定律掃描技術無法三維掃描的缺陷。

2、本發(fā)明所采用的技術方案。

本發(fā)明提出一種基于沙姆定律鉸鏈原則的連續(xù)激光三維掃描裝置，包括激光器、反射鏡、接收望遠鏡、光電探測器、信號同步電路；反射鏡、接收望遠鏡和光電探測器根據(jù)沙姆定律擺放，反射鏡設置在物面、相面和焦平面的交點上可旋轉角度，信號同步電路控制光電探測器跟隨反射鏡的旋轉同步上下位移始終符合沙姆定律；二極管激光器前放置可調(diào)反射鏡(3)，反射鏡將激光反射到環(huán)境中的目標物，目標物再將光信號反射或者折射出去，光信號被接收望遠鏡組接收，接收望遠鏡接收的光信號會聚在光電探測器上。

更進一步具體實施方式中，還包括電機、運動控制部分電機伺服，運動控制部分電機伺服、電機、反射鏡依次相連控制反射鏡旋轉。

更進一步具體實施方式中，還包括壓電陶瓷、運動控制部分壓電陶瓷控制器，光電探測器與壓電陶瓷相連，壓電陶瓷控制器控制壓電陶瓷上下運動，并反饋同步信號來控制與反射鏡相連的電機。

更進一步具體實施方式中，還包括激光準直原件，激光準直原件放置在二極管激光器前，激光準直原件前放置可調(diào)反射鏡。

更進一步具體實施方式中，所述的激光器為二極管激光器。

本發(fā)明提出了一種基于沙姆定律鉸鏈原則的連續(xù)激光三維掃描方法，按照如下步驟進行：

步驟1、將基于沙姆定律鉸鏈原則的連續(xù)光激光掃描裝置瞄準待檢測環(huán)境，開啟激光器；

步驟2、激光器發(fā)出的激光經(jīng)過激光準直原件射向反射鏡，反射鏡將激光反射到環(huán)境中的目標物，目標物再將光信號反射或者折射出去；

步驟3、目標物反射/折射的光信號被激光接收部分接收，即由接收望遠鏡組接收采集光信號；

步驟4、接收望遠鏡接收的光信號會聚在光電探測器上，該光電探測器與所述數(shù)據(jù)采集分析部分相連，在該探測器的探測面上可以得到距離分布信息；

步驟5、光電探測器與壓電陶瓷相連，壓電陶瓷通過壓電陶瓷控制器來控制，并用同步信號來控制與反射鏡相連的電機，使光電探測器與電機同步運動，利用信號同步電路來控制壓電陶瓷控制器和電機運動，從而使反射鏡和探測器運動的同時依然滿足沙氏定律。

更進一步具體實施方式中，采用一種推掃式掃描的方式，實現(xiàn)物體的二維成像；實現(xiàn)物體的二維成像后，運用成像幾何原理，利用電機控制反射鏡可以實現(xiàn)在空間中的三維掃描。

3、本發(fā)明的有益效果。

(1)、本發(fā)明利用鉸鏈原則，通過沙姆定律計算出物面相面和焦平面的交點所在，確定一個旋轉點G，在系統(tǒng)搭建時，將反射鏡、透鏡和線陣CCD/CMOS根據(jù)Scheimflug定律擺放，并將反射鏡放置在G點的位置；搭建完成后，當反射鏡旋轉一定角度時，通過幾何運算，可以計算出線陣CCD/CMOS的上下移動的距離，利用壓電陶瓷就可以很好的控制線陣CCD/CMOS移動，達到成像的作用。

(2)、本發(fā)明利用激光一次掃描多個點，運用一種推掃式掃描的方式，實現(xiàn)物體的二維成像；實現(xiàn)物體的二維成像后，運用成像幾何原理，利用電機控制反射鏡可以實現(xiàn)在空間中的三維掃描；相比于傳統(tǒng)激光雷達線掃描，本裝置可以實現(xiàn)空間的三維圖像重構。傳統(tǒng)基于沙氏定律的激光掃描技術主要在視線范圍(light of sight)內(nèi)進行成像，我們只在沿著激光發(fā)射出來的那個方向進行成像。

(2)、本發(fā)明中采用線陣CCD/CMOS作為探測器，它的測量范圍大和精度很高，實時傳輸光電變換信號速度快。

(3)、本激光雷達采樣速率遠大于傳統(tǒng)激光雷達，采樣頻率可達3KHz。配合使用3000像素的線陣CCD/CMOS，本裝置每秒鐘可以掃描900萬點，相比于傳統(tǒng)掃描技術每秒掃描70萬點，掃描效率更高。另外，本發(fā)明采用近紅外光或者紫外光，屬于人眼安全波段。

綜上，本發(fā)明采用了連續(xù)光激光作為光源，使用成像方法實現(xiàn)物體的空間掃描，利用壓電陶瓷或電機控制系統(tǒng)靈活的探測不同角度下的物體的線掃描圖像。本發(fā)明應用于遠景大范圍的物體的三維掃描，波長選擇為近紅外光或紫外光波段，創(chuàng)新的采用了旋轉反射鏡和上下平移探測器掃描成像的方法，實現(xiàn)連續(xù)光掃描，可以得到遠處的物體高精度、清晰的掃描圖像。

附圖說明

圖1是基于Scheimpflug principle的鉸鏈原則的連續(xù)光激光成像掃描裝置的結構示意圖。圖中1-激光器，2-激光準直原件，3-反射鏡，4-運動控制部分電機，5-電機伺服，6-接收望遠鏡，7-光電探測器(CCD/CMOS)，8-運動控制部分壓電陶瓷，9-壓電陶瓷控制器，10-信號同步電路。

圖2掃描原理圖，從圖中可以看到G點為反射鏡旋轉點，當電機控制反射鏡旋轉到1位置時，根據(jù)Scheimpflug定律結合幾何計算可知CCD/CMOS的位置在黑色所在位置，當反射鏡旋轉到2位置時，同理可得到CCD/CMOS的位置，此時CCD/CMOS向上平移了一段距離，如虛線所示。這樣，當電機連續(xù)旋轉時，我們也在CCD/CMOS上得到一系列的點，處理后就可以得到物體的輪廓圖。

圖3為模擬掃描圖。

具體實施方式

實施例1

如圖1所示，本實施例提出的一種基于沙姆定律鉸鏈原則的連續(xù)光激光掃描裝置，包括圖中1-二極管激光器，2-激光準直原件，3-反射鏡，4-電機，5-運動控制部分電機伺服，6-接收望遠鏡，7-光電探測器(CCD/CMOS)，8-壓電陶瓷，9-運動控制部分壓電陶瓷控制器，10-信號同步電路。

本發(fā)明提出的一種基于沙姆定律鉸鏈原則的連續(xù)激光三維掃描裝置，包括激光器1、反射鏡3、接收望遠鏡6、光電探測器7、信號同步電路10；反射鏡3、接收望遠鏡6和光電探測器7根據(jù)沙姆定律擺放，反射鏡3設置在物面、相面和焦平面的交點上可旋轉角度，信號同步電路10控制光電探測器7跟隨反射鏡3的旋轉同步上下位移始終符合沙姆定律；二極管激光器1前放置可調(diào)反射鏡3，反射鏡3將激光反射到環(huán)境中的目標物，目標物再將光信號反射或者折射出去，光信號被接收望遠鏡組6接收，接收望遠鏡6接收的光信號會聚在光電探測器7上。本發(fā)明通過電機4、運動控制部分電機伺服5，運動控制部分電機伺服5、電機4、反射鏡3依次相連控制反射鏡旋轉。所述的激光器1為二極管激光器。

實施例2

相比與實施例1中，本發(fā)明通過壓電陶瓷8、運動控制部分壓電陶瓷控制器9，光電探測器7與壓電陶瓷8相連，壓電陶瓷控制器9控制壓電陶瓷8上下運動，并反饋同步信號來控制與反射鏡3相連的電機4。激光準直原件2放置在二極管激光器1前，激光準直原件2前放置可調(diào)反射鏡3。

實施例3

基于沙姆定律鉸鏈原則的連續(xù)光激光成像裝置，包括激光發(fā)射部分、激光接收部分、成像部分、數(shù)據(jù)采集分析部分、運動控制部分、信號同步部分；所述的激光發(fā)射部分、激光接收部分與成像部分、運動控制部分、信號同步部分相連；數(shù)據(jù)采集部分與成像部分相連。本技術利用沙氏定律中的鉸鏈原則，通過公式計算選取出旋轉點，旋轉反射鏡以達到改變激光掃描方向，從而達到掃描的目的。

激光發(fā)射部分主要包括連續(xù)激光光源(Laser diode)、激光準直原件，激光光源發(fā)出的連續(xù)激光經(jīng)激光準直原件后入射至目標路徑方向，此時進入光路的目標會產(chǎn)生反射光光信號，該信號被激光接收部分接收望遠鏡接收；

成像部分包括一維線陣CCD/CMOS，該線陣CCD/CMOS與x系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集分析部分相連，即通過與筆記本電腦相連記錄接收線陣CCD收集到的回波信號，在線陣CCD/CMOS上可以得到距離分布等信息，進而得到被測目標的空間信息及掃描圖像。

運動控制部分包括壓電陶瓷，壓電陶瓷控制器，電機，電機伺服(包含電機驅動)及反射鏡。將反射鏡與電機安裝在一起，將CCD/CMOS與壓電陶瓷安裝在一起，電機與電機伺服安裝好，利用電機控制反射鏡旋轉，同時使用壓電陶瓷控制器控制壓電陶瓷運動，從而帶動CCD/CMOS運動，使其滿足Scheimpflug定律，進而得到清晰的成像。

在控制壓電陶瓷及電機運動時，為了使物平面相平面和透鏡的焦平面三面始終交于一點，滿足鉸鏈原則，利用信號同步控制部分保證壓電陶瓷控制器和電機伺服運動同步，控制反射鏡和CCD/CMOS角度轉動一致。信號同步控制部分可通過輸入信號控制壓電陶瓷和電機同步運動。

所用的連續(xù)激光光源為近紅外光/紫外光二極管激光器；輸入同步信號是方波和正弦波，在信號同步電路中通過編程使信號同步輸入。

本實施例所述基于沙姆定律鉸鏈原則的連續(xù)光激光掃描裝置采用的成像測距方法：由激光發(fā)射部分的連續(xù)激光器沿目標方向發(fā)出激光，激光經(jīng)激光準直原件發(fā)出射到反射鏡上由反射鏡進行反射，環(huán)境中的目標物出現(xiàn)在光路時會被此激光穿透掃描，目標物反射/折射的光信號經(jīng)接收望遠鏡匯聚到CCD/CMOS上，旋轉反射鏡，利用成像幾何的方法，使反射鏡在不同角度反射激光，通過成像部分對光信號進行采集；最終，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集與分析部分與計算機相連，利用沙氏成像定律(Scheimpflug principle)可以得到對應光路中的不同距離及其光強信息，并且得到物體的輪廓信息，從而實現(xiàn)掃描物體的功能。具體包括以下步驟：

(1)將基于沙姆定律鉸鏈原則的連續(xù)光激光掃描裝置瞄準待檢測環(huán)境，開啟激光光源1。

(2)激光光源1發(fā)出的激光經(jīng)過激光準直原件2射向反射鏡，反射鏡將激光反射到環(huán)境中的目標物，目標物再將光信號反射或者折射出去。

(3)目標物反射/折射的光信號被激光接收部分接收，即由接收望遠鏡組6對這些光信號進行接收采集。

(4)接收望遠鏡6接收的光信號會聚在光電探測器7上。該光電探測器與所述數(shù)據(jù)采集分析部分相連，即通過與筆記本電腦相連記錄收集到的回波信號，在該探測器的探測面上可以得到距離分布信息。

(5)光電探測器7與壓電陶瓷8相連，壓電陶瓷通過壓電陶瓷控制器9來控制，并用同步信號來控制與反射鏡3相連的電機4，使光電探測器與電機同步運動。利用信號同步電路10來控制壓電陶瓷控制器和電機運動(如圖1，電機控制反射鏡繞G點旋轉，壓電陶瓷控制器向虛線箭頭方向壓合)，從而使反射鏡和探測器運動的同時依然滿足沙氏定律。

本發(fā)明中，激光器1為二極管激光器，2激光準直原件，3反射鏡，4電機，5運動控制部分機伺服，6接收望遠鏡，7光電探測器(CCD/CMOS)，8壓電陶瓷，9運動控制部分壓電陶瓷控制器，10信號同步電路等均為現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品或可以利用原件加工出來的產(chǎn)品，利用這些現(xiàn)有產(chǎn)品或加工原件具有的功能，構建的本發(fā)明所述的系統(tǒng)，可以使用成像幾何的方法在不旋轉這個雷達系統(tǒng)的情況下(只操作電機和壓電陶瓷運動，如圖2)實現(xiàn)傳統(tǒng)雷達的掃描效果，并且得到傳統(tǒng)雷達提供的距離分布信息，還有物體的掃描輪廓如圖3所示。

上述實際系統(tǒng)為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。